中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)在自旋量子精密測(cè)量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭新華研究組在自旋量子精密測(cè)量領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，首次提出和驗(yàn)證了Floquet自旋量子放大技術(shù)，該技術(shù)克服了以往只在單個(gè)頻率處量子放大的局限性，實(shí)現(xiàn)了多頻段極弱磁場(chǎng)信號(hào)的量子放大，靈敏度達(dá)到了飛特斯拉水平。相關(guān)研究成果于6月9日以“Floquet Spin Amplification”為題在線發(fā)表于著名國際學(xué)術(shù)期刊《Physical Review Letters》上[Phys. Rev. Lett. 128, 233201 (2022)]，并被選為“編輯推薦(Editors’Suggestion)”文章。
 

　　現(xiàn)代自然科學(xué)和物質(zhì)文明是伴隨著測(cè)量精度的不斷提升而發(fā)展的。隨著量子力學(xué)基礎(chǔ)研究和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，通過原子、分子、自旋等物理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)的量子增強(qiáng)放大。相比于基于經(jīng)典電路的傳統(tǒng)放大技術(shù)，量子增強(qiáng)放大受限于更低的量子噪聲且具有更高的放大增益，為提升測(cè)量精度提供了強(qiáng)有力的研究手段，因此受到大家的廣泛關(guān)注和研究。目前，量子放大技術(shù)已經(jīng)在諸多測(cè)量過程發(fā)揮不可替代的作用，催生出許多革命性成果，例如微波激射器、激光器、原子鐘，甚至宇宙微波背景輻射的首次發(fā)現(xiàn)等，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)也曾多次授予相關(guān)領(lǐng)域。然而目前對(duì)量子放大精密測(cè)量技術(shù)的探索仍然有限，實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大主要依賴于量子系統(tǒng)固有的離散能級(jí)躍，由于可調(diào)諧性的限制，量子系統(tǒng)固有離散躍遷頻率往往無法滿足放大需要的工作頻率，因此限制了量子放大器的性能，如工作帶寬、頻率和增益等。如果能夠克服以上困難，量子放大技術(shù)的性能將可以得到很大改善，對(duì)探測(cè)極弱電磁波和奇異粒子等基礎(chǔ)物理和實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。
 

　　成果示意圖：(a)Floquet能級(jí)；(b)Flqouet量子自旋放大器原理圖；(c)磁探測(cè)靈敏度。

 

　　針對(duì)以上難題，本文研究人員提出了Floquet自旋量子放大技術(shù)，成功克服了以往探測(cè)頻率范圍小等限制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)頻率的極弱磁場(chǎng)放大。這項(xiàng)技術(shù)得益于該組之前提出的“自旋放大技術(shù)”[Nat.Phys. 17, 1402 (2021)]和“Floquet調(diào)制技術(shù)”[Sci. Adv. 7(8), eabe0719 (2021)]，將二者有機(jī)結(jié)合，從而將量子放大技術(shù)推廣到Floquet自旋系統(tǒng)：利用Floquet調(diào)制技術(shù)調(diào)控自旋的能級(jí)與量子態(tài)，將固有的二能級(jí)系統(tǒng)(如129Xe核自旋)修飾為周期性驅(qū)動(dòng)Floquet系統(tǒng)，從而具有很多獨(dú)特的性質(zhì)，使得系統(tǒng)形成了一系列等能量間距分布的Floquet能級(jí)結(jié)構(gòu)，在這些能級(jí)之間可以發(fā)生共振躍遷(如圖1)，因此有效拓廣了磁場(chǎng)放大的頻率范圍。通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究，首次展示了Floquet系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻率待測(cè)磁場(chǎng)2個(gè)數(shù)量級(jí)的同時(shí)量子放大，測(cè)量靈敏度達(dá)到了飛特斯拉級(jí)級(jí)別。該工作首次將量子放大技術(shù)擴(kuò)展到Floquet自旋系統(tǒng)，有望進(jìn)一步推廣到其他量子放大器，實(shí)現(xiàn)全新的一類量子放大器——“Floquet量子放大器”。
 

　　彭新華研究組長期瞄準(zhǔn)量子精密測(cè)量領(lǐng)域，利用量子精密測(cè)量技術(shù)來解決世界前沿科學(xué)問題。包括于2018年自主研發(fā)出超靈敏原子磁力計(jì)，并且利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無需磁場(chǎng)的新型核磁共振技術(shù)——“零磁場(chǎng)核磁共振”[Sci. Adv. 4(6), eaar6327 (2018)]；于2019年至2020年發(fā)展新型原子磁力儀技術(shù)[Adv. Quantum Technol. 3, 2000078 (2020)，Phys. Rev. Applied 11, 024005 (2019)]，達(dá)到了國際較高水平的磁場(chǎng)探測(cè)靈敏度；通過進(jìn)一步研究，于2021年實(shí)現(xiàn)了新型的自旋微波激射器，在低頻段創(chuàng)造了國際最佳的磁探測(cè)靈敏度[Sci. Adv. 7(8), eabe0719 (2021)]。之后，該研究組將已發(fā)展的平臺(tái)型量子精密測(cè)量技術(shù)用于尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子，取得了一系列對(duì)推動(dòng)學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展有實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)的研究成果。包括于2021年利用新型量子自旋放大器搜尋暗物質(zhì)候選粒子，首次突破國際公認(rèn)最強(qiáng)的宇宙天文學(xué)界限[Nat.Phys. 17, 1402 (2021)]，以及實(shí)現(xiàn)了對(duì)一類超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新相互作用的超靈敏檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)界限比先前的國際最好水平提升至少2個(gè)數(shù)量級(jí)[Sci. Adv. 7, eabi9535 (2021)]。
 

　　中科院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室江敏副研究員、博士研究生秦毓舒和王鑫為該文共同第一作者，彭新華教授為該文通訊作者。該研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委和安徽省的資助。
 

　　原標(biāo)題：中國科大實(shí)現(xiàn)新型自旋量子放大技術(shù)